СОДЕРЖАНИЕ

Номер лекции	Рассматриваемые на лекции темы	стр
1, 2	Понятие теплового проектирования , его место в процессе создания КА. Основные этапы и особенности теплового проектирования. Условия космического пространства, оказывающие прямое и косвенное влияние на тепловое состояние КА	3
3, 4	Системы обеспечения тепловых режимов. Краткая характеристика входящих в системы средств обеспечения тепловых режимов.	16
5, 6	Характеристика математических моделей теплового режима КА.	31
7	Математическое моделирование внешнего теплообмена КА	45
8	Условия спуска КА в атмосфере планет. Газодинамическая картина обтекания спускаемого аппарата высокоскоростным потоком газа. Физико-химические процессы в сжатом слое.	54
9	Зависимость подводимой к поверхности СА тепловой энергии от геометрической формы его поверхности. Оценочные формулы для определения конвективного и радиационного тепловых потоков к поверхности СА в окрестности	61
10	: Методы тепловой защиты. Механизм разрушения различных теплозащитных материалов. Физико-химические процессы в пограничном слое при разложении теплозащитных материалов. Эффективная энтальпия разрушения.	66
11	Значение экспериментальной тепловой отработки КА. Краткая характеристика экспериментальных средств , используемых при тепловакуумной отработке СОТР КА и отработке системы теплозащиты СА	74
12	Применение обратных задач при исследовании процессов теплообмена и проектировании технических объектов. Классификация обратных задач теплообмена	82
	Список литературных источников, рекомендуемых для изучения отдельных разделов данного курса .	90

Лекции 1 и 2

Тема лекций: Понятие теплового проектирования , его место в процессе создания КА. Основные этапы и особенности теплового проектирования.

Условия космического пространства, оказывающие прямое и косвенное влияние на тепловое состояние КА

Понятие теплового проектирования , его место в процессе создания КА.

Одним из непременных условий надежного функционирования космического аппарата, его систем, установленных на нем научных приборов, а следовательно и оправдания значительных затрат на его создание является обеспечение необходимого теплового режима всех его элементов. Задача обеспечения теплового режима изделий космической техники, функционирующих ,как правило, в условиях, неблагоприятных для реализации эксплуатационных характеристик почти всех их систем и элементов, имеет особую специфику заключающуюся в том, что процесс ее решения в той или иной мере влияет на выбор проектных и частных технических решений, касающихся почти всех систем КА. В связи с этим при создании космической техники особенно важное значение имеет взаимная увязка решений тепловых вопросов с общими задачами проектирования. То есть при выборе проектных решений , включая конструктивно-компоновочные схемы , баллистические характеристики, при выборе системы энергопитания и т.п. необходимо одновременно решать и задачи обеспечения теплового режима создаваемого аппарата, стремясь получить наиболее благоприятные массовые и функциональные характеристики при высокой надежности работы систем аппарата. Следовательно, важнейшим видом инженерной деятельности при разработке космической техники является тепловое проектирование, заключающееся в решении тепловых аспектов задачи создания космического аппарата при увязке этих решений с задачами общего проектирования. В зарубежной и отечественной истории создания космической техники известны немало случаев, когда проектирование КА и даже изготовление его материальной части начиналось без взаимной увязки тепловых аспектов с общими задачами проектирования В результате возникала необходимость в изменении многих проектных и частных технических решений, то есть появлялась необходимость переконструирования объекта, что увеличивало время и стоимость создания космического аппарата. Вот почему целью данного лекционного курса является не только ознакомление будущих разработчиков космической техники и специалистов по управлению ее эксплуатацией с методами и системами обеспечения тепловых режимов космических аппаратов различного назначения, но и формирование у будущих специалистов отмеченного профиля убеждения в том, что при создании космического аппарата тепловой аспект многоплановой проблемы его проектирования имеет исключительно важное значение, поскольку необходимость защиты научной и служебной аппаратуры, элементов систем , конструкции аппарата, экипажа, если аппарат пилотируемый, от воздействия факторов космической среды, в том числе тепловых потоков высокой плотности, отражается не только на составе средств и массовых характеристиках системы обеспечения теплового режима, но и на облике аппарата в целом, в частности, компоновочной схеме, а также в той или иной степени на характеристиках почти всех его систем . В ряде случаев, возникает и необходимость перераспределения традиционно установившихся приоритетов в перечне и последовательности решения в процессе проектирования задач в пользу тех из них, которые имеют отношение к проблеме обеспечения теплового режима. Примером может служить проблема создания солнечного зонда, предназначенного для исследования верхней части солнечной атмосферы - солнечной короны . Необходимость защиты научной , служебной аппаратуры, жизненно важных систем аппарата от воздействия потока солнечного излучения очень большой плотности определяет в этом случае геометрические характеристики, компоновку, ориентацию объекта в пространстве и даже состав и характеристики служебных систем.

Основные этапы и особенности теплового проектирования.

Создание системы обеспечения теплового режима ( СОТР) конкретного аппарата идет по трем взаимно связанным стадиям [ 7 ]:

1) Расчетно-теоретический анализ процессов внешнего и внутреннего теплообмена КА ; сравнение возможных схем решения задачи обеспечения теплового режима и окончательная расчетная проверка выбранного варианта СОТР.

2) Экспериментальная проверка и отработка СОТР в наземных условиях при моделировании в экспериментальных установках условий внешнего и внутреннего теплообмена .

3) Окончательная проверка и отработка СОТР на основе результатов натурных испытаний или штатной эксплуатации КА.

В связи с тем, что экспериментальная отработка связана с большими материальными затратами, расчетно-теоретические методы анализа и проверки теплового режима и эффективности СОТР играют весьма важную роль в решении задачи обеспечения теплового режима КА. Они необходимы не только на стадии проектирования СОТР , но и на стадии экспериментальной проверки принятых технических решений. При разработке математических моделей теплообмена КА наиболее часто осуществляется следующий порядок действий. Первым и непременным этапом разработки математической модели является составление тепловой схемы объекта исследования. Тепловая схема представляет собой схематическое изображение узлов КА, включая элементы СОТР ( в случае анализа теплового режима КА в целом) или такое же изображение какого-либо из элементов КА при решении частной задачи, с указанием всех существенных тепловых связей, а также внешних и внутренних тепловых воздействий. При составлении тепловой схемы выделяются узловые точки , характеризующие температуру, формулируются допущения в части возможного упрощения изображаемых процессов. В итоге тепловая схема является наглядным представлением тех взаимодействий, которые предстоит анализировать с помощью математических соотношений. Уже на этой стадии представляется возможным , сформулировав граничные условия и возможные диапазоны характеризующих их величин, ограничить тепловые связи некоторыми наперед заданными тепловыми состояниями сопряженных элементов. Например, влияние тепловыделений отдельных блоков аппаратуры на температуру газовой среды может быть рассмотрено через некоторую среднемассовую температуру каждого блока без подробного описания тепловых процессов, протекающих внутри него. На основе выбранной тепловой схемы для дальнейшего перехода к математической модели создается расчетная схема- схемное или словесное описание тепловых взаимодействий элементов, выделенных в тепловой схеме, и допущений, принятых с целью математического описания процессов теплообмена. Это наиболее ответственный этап требует не только логической оценки существенности того или иного звена , но и четкого представления об определяющих тепловое его состояние процесcах и расчетной оценки справедливости принятых допущений. Является недопустимым произвольное упрощение физики процесса, если для этого нет достаточных оснований и если такое допущение приводит к получению не экстремальных значений анализируемой величины. Например, в ряде случаев пренебрежение процессами лучистого теплообмена во внутренних объемах КА может приводить к существенному завышению или занижению температуры элемента конструкции по сравнению с фактической. Поэтому такое пренебрежение допустимо только в том случае, когда в результате допущения ожидается получение максимально или минимально возможной температуры. Далее расчетная схема реализуется в виде математической модели-описания, представляющей ,по сути, алгоритм решения задачи, представленный в математической форме. От математической модели- описания обычно переходят затем к модели-аналогии, представляющую собой компьютерную программу решения задачи.

Одним из важных этапах работ в общем процессе разработки и обоснования тепловых математических моделей является их коррекция. Этот этап представляет собой комплексное расчетно-экспериментальное исследование с использованием аппарата обратных задач теплообмена и привлечением методов оптимального планирования тепловых экспериментов. Проверка математической модели предполагает сравнение теоретических расчетов с экспериментальными данными и введение поправок в математическую модель, если расчет и эксперимент не согласуются между собой . Источники расхождений между измеренными и рассчитанными значениями температуры разделяются на три основные группы. К первой относится неправильное определение функциональной схемы тепловой модели; вторая связана с ошибками измерений ; третья включает в себя неправильный выбор значений параметров модели. Если функциональная схема модели не является достаточно точной , то необходима разработка новой схемы. Второй и третий источники расхождений измеренных и рассчитанных температур выявляются известными методами оценки параметров тепловой математической модели.

Деление процесса создания СОТР на отмеченные выше стадии часто является весьма условным, учитывая сложность конструкции КА , наличие многочисленных c неопределенными количественными характеристиками тепловых связей между его отдельными элементами . Поэтому характерной особенностью теплового проектирования КА является органическое сочетание расчетно-теоретических и проектных работ с экспериментальными исследованиями. Роль эксперимента в тепловом проектировании особенно велика при создании СОТР для спускаемого аппарата (СА), так как в этом случае процесс теплообмена в теплозащитных покрытиях, как правило, характеризуется сложными взаимосвязанными и еще недостаточно изученными теплофизическими, физико-химическими, газодинамическими, эррозионными и другими процессами. Экспериментальные исследования и испытания (как стендовые, так и летные ) используются не только для проверки правильности расчетно-теоретических исследований, но и для доработки математических моделей теплового состояния КА , в частности, коррекции параметров математической модели.

В тех случаях, когда изучаемый процесс труден для понимания, а также когда теоретический анализ не дает удовлетворительных результатов в связи со многими неопределенностями и сложностями вычислительного характера (как, например, в ряде задач нестационарного конвективного теплообмена на поверхности теплозащитных покрытий, в двигательных установках, в топливных баках и трубопроводах, особенно с криогенными компонентами топлива) эксперимент играет самостоятельную роль.

Условия космического пространства, оказывающие прямое и косвенное влияние на тепловое состояние КА

Кратко охарактеризуем основные факторы космического пространства и их проявление в теплообмене КА.

1) Космический вакуум

Основной особенностью космоса как физической среды является чрезвычайная разреженность газообразной материи в нем. Когда давление газа значительно ниже атмосферного, то такое его состояние называется вакуумом. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. В вакуумной технике давление выражается в единицах, называемых “торр”, ”мм. ртутного столба , “Паскаль” (Па). “Торр” соответствует давлению 1 мм. рт. cт. Давление 760 мм. рт. cт. соответствует или ., поэтому .

Давление в космосе изменяется в широких пределах в зависимости от рассматриваемого пространства. Согласно астрономическим данным давление газа в межзвездном пространстве ( в основном атомарного водорода) составляет приблизительно . Межпланетное пространство заполнено газовыми частицами в основном солнечного происхождения. Эти частицы эжектируются из солнечной короны, образуя потоки плазмы- солнечный ветер, состоящий, главным образом, из ионизированных водорода и гелия. Условия в межпланетном пространстве широко изменяются в зависимости от солнечной активности . Давление в среднем изменяется от до .

Наибольший практический интерес представляют данные о состоянии разреженного газа в околоземном пространстве. Атмосфера Земли на высотах более 100 км неоднородна как в отношении химического состава, так и по состоянию частиц. Так на высоте 100 км давление газа составляет приблизительно При этом основные компоненты атмосферы - . На высоте 200км давление составляет На высоте 300 км давление газа не превышает величину , а на высоте 1000 км давление составляет величину порядка .

Важной характеристикой состояния газа , зависящей от его давления, температуры и химического состава и определяющей характер и интенсивность протекания процессов переноса, является средняя длина свободного пробега молекулы ( ). Оценки , выполненные по известной из курса общей физики формулы Сюзерленда для воздуха при давлениях и температурах, соответствующих и , показали, что в первом случае , а во втором - . Таким образом, при длина свободного пробега молекулы превышает характерные размеры КА. Данное обстоятельство обуславливает способность космического пространства поглощать в неограниченных количествах газы и пары, которые выделяются с поверхности КА. То есть особенностью массопотерь в космосе является то, что мало частиц, улетающих с поверхности КА, возвращаются обратно. Эта особенность характеризуется так называемым коэффициентом возврата , определяемым отношением количества частиц, возвращающихся на КА в единицу времени, к числу частиц, покидающих его за то же время. В [ 9 ] отмечается, что при .

Давление газа на различные части КА в космосе не одинаково. На передние (по вектору скорости) части околоземного КА ( ) оно может на два порядка превышать статическое давление в данном месте пространства, а на задние части может быть на несколько порядков ниже. Это является следствием того, что скорость КА может существенно превосходить скорость теплового хаотического движения частиц в космосе. По этой причине для различных частей КА может отличаться и коэффициент возврата .

Наличие упорядоченной скорости движения газовой среды относительно КА приводит к кинетическому нагреву передней части его поверхности за счет взаимодействия с частицами набегающего газового потока. Часть кинетической энергии частиц, пропорциональная термическому коэффициенту аккомодации ( ) передается стенке в виде тепла. Кроме того выделение тепла на стенке происходит и вследствие возможных процессов рекомбинации диссоциированных молекул газа на сравнительно холодной стенке. При свободномолекулярном режиме течения газа плотность теплового потока , подводимого к элементу поверхности КА за счет столкновения с частицами воздуха можно определить с помощью простой формулы : , где - плотность газа, - угол между плоскостью элемента КА и направлением полета , ( ). Оценки показывают, что при .

Плотность теплового потока, подводимого к поверхности КА при реализации процессов рекомбинации диссоциированных молекул газа, как показывают оценки, приблизительно на порядок меньше .

Таким образом, имеет место неравномерное динамическое и тепловое воздействие разреженной космической газообразной материи на поверхность КА. При этом для околоземных аппаратов непосредственное тепловое воздействие газовых частиц на некоторые поверхности весьма существенно до высот . Этим воздействием можно бесспорно пренебречь лишь при . Но при этом необходимо отметить то , что разреженная газовая материя космоса уже начиная с высот , превышающих не является сколько нибудь заметной теплопередающей средой. Оценки, проведенные в [ 10 ], свидетельствуют о том , что на таких высотах конвективным теплопереносом и теплопроводностью газа можно пренебречь. Следовательно, теплообмен между неконтактирующими друг с другом поверхностями в космосе может осуществляться в основном излучением и в особых случаях за счет таких массообменных прпоцессов как сублимация, испарение, конденсация.

Космический вакуум оказывает и косвенное влияние на теплообмен КА. Он может вызвать ускоренную сублимацию ( испарение) поверхностных слоев материалов КА, приводящую к изменению их поверхностных свойств, в том числе к изменению радиационно-оптических характеристик.

2) Невесомость.

Невесомость – состояние материального тела, при котором действующие на него внешние силы не вызывают взаимных давлений частиц друг на друга [ 11 ]. Переход в невесомость сопровождается изменением условий и механизма теплообмена с участием жидкости и газа как теплопередающей среды. Не рассматривая всех аспектов влияния невесомости на физические процессы, протекающие в заполненных газом и жидкостью отсеках и устройствах КА (влияние на гидродинамику и гидростатику теплоносителей, на процессы конденсации и испарения) , коснемся лишь самого важного вопроса, связанного с отсутствием естественной ( гравитационной) конвекции в условиях космического полета, в то время как в наземных условиях гравитационная конвекция чаще всего имеет место и играет значительную роль в передаче энергии через газовую или жидкостную среду и, следовательно, в формировании теплового режима элементов объема или отсека, заполненного газом или жидкостью. Важность вопроса обусловлена тем, что результаты наземных экспериментальных исследований теплового режима КА из-за влияния естественной конвекции могут в ряде случаев существенно отличаться от того теплового режима, который будет иметь место в штатных условиях эксплуатации.

3) Электромагнитное и корпускулярное излучение Солнца.

Начало формы

Считается, что основным источником солнечной энергии служит так называемая протон-протонная ядлерная реакция , при которой из 4-х атомов водорода образуется один атом гелия. Ядерные реакции совершаются в центральной сверхплотной и сильнонагретой ( приблизительно ) части Солнца, простирающейся от центра до его радиуса . В этой зоне электромагнитное излучение зарождается в форме - квантов высоких энергий. Эти - кванты поглощаются атомами той части газа, которая расположена ближе к поверхности и где ядерные реакции из-за более низких температур и давлений невозможны. По мере перемещения к поверхности в результате многократного повторения процессов поглощения и излучения происходит трансформация -квантов в кванты рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного излучения. Считается, что это происходит в так называемой зоне лучистого равновесия ( ) . От поверхности Солнца до зоны лучистого равновесия простирается конвективная зона, в которой энергия переносится конвекцией. Видимая поверхность Солнца, называемая фотосферой, испускает практически всю приходящую к нам энергию электромагнитного излучения Солнца. Плотность потока исходящего от фотосферы излучения составляет приблизительно , что соответствует радиационной температуре .

Над фотосферой расположена солнечная атмосфера, внешняя часть которой , называемая короной, состоит из чрезвычайно разреженной плазмы с температурой , близкой к миллиону градусов . Хотя общее излучение короны приблизительно в миллион раз меньше общего излучения Солнца [ 11], однако она является источником интенсивного жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Излучение фотосферы и атмосферы изменяется во времени из-за так называемой солнечной активности.

На орбите Земли плотность потока излучения Солнца , падающего на площадку, перпендикулярную направлению на Солнце ( солнечная постоянная ) изменяется из-за эллиптичности земной орбиты в пределах от 1350 до 1440 . Угловой диаметр наблюдаемого с Земли Солнца составляет приблизительно .

Зависимость спектральной интенсивности ( ) или спектральной плотности ( ) электромагнитного излучения Солнца от длины волны излучения ( ) имеет весьма сложный и изменчивый характер, зависящий от комплекса различных явлений в фотосфере и атмосфере Солнца. На рисунке 1 в виде графика представлена зависимость относительной величины спектральной плотности потока излучения Солнца от . Абсолютные текущие значения относились к максимальному значению этой величины, имеющему место при . На этом же рисунке в виде пунктирной кривой 2 изображена аналогичная зависимость для абсолютно черного тела с температурой , равной радиационной температуре Солнца. Для второй кривой масштаб зависимости относительной величины по оси ординат выбран исходя из условия равенства интегралов по для первой и второй кривой. Сопоставляя кривые 1 и 2 можно заключить , что видимая ( 0,38-0,75) и инфракрасная части спектров Солнца и абсолютно черного тела отличаются мало.

В ультрафиолетовой области спектра наблюдаются существенные отличия. Несмотря на то, что большая часть энергии электромагнитного излучения Солнца сосредоточена в длинноволновой части спектра ( ), коротковолновая его часть ( ) заслуживает особого внимания, т.к. коротковолновая радиация (ультрафиолетовое и рентгеновское излучение) является одной из причин, вызывающих деградацию наружных покрытий КА и ,следовательно, изменение их радиационно-оптических свойств.

Следует заметить, что солнечная активность практически не изменяет ту область спектра, которая расположена правее . Существенно изменяется во время солнечных вспышек спектр рентгеновского излучения. Излучение становится жестче, плотность фотонов с возрастает на два порядка. Общая интенсивность излучения с возрастает более,чем в два раза.

Помимо электромагнитного излучения Солнце постоянно испускает потоки заряженных частиц, представляющих собой главным образом ионы водорода, гелия, электроны. Эти потоки называются “солнечным ветром”. В результате взаимодействия этих частиц с геомагнитным полем возникает ударная волна. За ударной волной происходит захват заряженных частиц “солнечного ветра” магнитным полем Земли, что приводит к образованию зон захваченной радиации.

Поток солнечного излучения , падающий на поверхность КА и поглощаемый ею в той или иной степени в зависимости от величины коэффициента - поглощательной способности, может оказывать на эту поверхность двойственное воздействие: непосредственное тепловое и косвенное, проявляющееся со временем в виде возможного изменения радиационно-оптических характеристик поверхности. Изменение этих характеристик является результатом так называемых радиационных повреждений материалов, которые происходят в основном вследствие ионизации, электронных возбуждений , смещения атомов вещества, диссоциации химических связей в молекулах при поглощении фотонов больших энергий и взаимодействии с высокоэнергетическими заряженными частицами солнечного и галактического происхождения.

4) Исходящее от планет излучение

Исходящее от планет электромагнитное (тепловое ) излучение можно условно разделить на две составляющие: отраженное солнечное излучение и собственное инфракрасное излучение, источником которого для планет земного типа в основном является поглощенная солнечная радиация.

Плотность, угловое распределение интенсивности и спектральный состав отраженного от планет солнечного излучения зависит от многих факторов: состава и физических характеристик атмосферы планеты, если она имеется , характера подстилающей поверхности и особенностей ее макрорельефа, от зенитного угла Солнца. Процесс отражения весьма сложен, особенно при наличии у планеты атмосферы. Так отраженное излучение Земли формируется в результате многократного обратного рассеивания на молекулах воздуха, каплях воды в облаках и частицах аэрозоля, а также за счет отражения от твердых и водных поверхностей. Для характеристики отражательной способности планеты в целом, отдельных участков ее поверхности, а в ряде случаев и отдельных компонент отражающей системы используется понятие альбедо , характеризующее долю отраженной радиации по отношению к падающей на данную поверхность. Когда речь идет об отражательной способности планеты в целом, то говорят о сферическом ( глобальном ) альбедо ( ) . Отражательная способность участка поверхности планеты характеризуется локальным альбедо ( ).

Спектр отраженного от планет солнечного излучения в той или иной степени трансформируется в результате селективного поглощения излучения атмосферой планеты, если она имеется, и взаимодействия излучения с подстилающей поверхностью, которая является, как правило, несерой.

Индикатриса отражения, т.е. функция, характеризующая зависимость относительной величины интенсивности или направленной силы отраженного излучения от направления при различных значениях зенитного угла Солнца весьма изменчива и по времени и по географическим координатам. Но в целом, как свидетельствуют расчеты и наблюдения, эту индикатрису с удовлетворительной точностью можно считать диффузной.

Механизм формирования уходящего от планет собственного излучения чрезвычайно сложен (особенно для Земли) и определяется процессами поглощения, испускания, отражения и рассеивания излучения, но и особенностям протекания процессов сложного теплообмена ( лучистого, конвективного и кондуктивного - в совокупности) в макросистемах, включающих в себя элементы подстилающей поверхности и атмосферы , если она имеется. Значительная неопределенность, изменчивость локальных по координатам и времени излучательных характеристик системы подстилающая поверхность – атмосфера побуждает использовать при расчете и экспериментальном моделировании внешнего теплообмена КА упрощенную модель собственного инфракрасного излучения Земли в космос. Модель, основанную на осреднении по поверхности и по времени радиационно-оптических характеристик элементов излучающей системы. Осреднение основано на допущении о равенстве нулю теплового баланса планеты. Предполагается, что поглощенная Землей или Венерой солнечная радиация полностью переизлучается затем в инфракрасной

области спектра некоторой равномерно нагретой в соответствии с поглощенной энергией эффективной сферической поверхностью, являющейся внешней границей оптически активного слоя атмосферы. В соответствии с этим предположением полусферическая поверхностная плотность потока собственного излучения Земли и Венеры определяется следующим простым соотношением [ 7 ] : . Если, например, для Земли принять , то , что соответствует радиационной температуре поверхности . В рамках такой модели предполагается диффузный характер излучения, то есть независимость в пределах полусферического телесного угла интенсивности собственного излучения Земли от направления. Спектральное распределение энергии собственного излучения нашей планеты , как впрочем и других планет и астероидов солнечной системы, принимается таким же, как у абсолютно черного тела с температурой равной радиационной температуре планеты.

5) Микрометеорные потоки и собственные выделения КА

В космическом пространстве движется большое количество метеоров- твердых тел от нескольких десятков километров до десятых долей микрометра в поперечнике. Число метеорных тел тем больше, чем меньше их масса ( примерно обратно пропорционально ). Метеоры делятся на два класса: метеорные потоки (рои) и спародические метеоры, не принадлежащие к метеорным потокам. Орбиты и параметры движения некоторых метеорных роев солнечной системы известны. Встреча с ними может прогнозироваться. Со спародическими потоками встречи случайны. Повреждение конструкции , например пробой оболочки гермоконтейнера, может происходить при столкновении с метеорами массой . Установлено, что вероятность столкновения с такими метеорами, если они относятся к классу спародических, мала. Вероятность пробоя при попадании в метеорный рой возрастает на порядок или даже на несколько порядков [ 4 ]. Частицы массой менее (метеорная пыль) не представляют непосредственной опасности для жизненно важных узлов КА, но они вызывают поверхностную эрозию материалов, причем наиболее интенсивная эрозия возникает при взаимодействии с частицами массой , поток которых достаточно велик. В результате эрозии полированные и зеркальные поверхности мутнеют , приобретая частично диффузные свойства, отражательная способность их снижается, оптические материалы также мутнеют, уменьшается их пропускательная способность.

В ряде случаев важным фактором, влияющим на характеристики терморегулирующих покрытий и оптики, являются собственные выделения КА в результате вакуумирования, гажения его конструктивных элементов, выброса продуктов горения из реактивных управляющих двигателей, выбросов рабочих веществ различных клапанов бортовых систем, испарительных теплообменников и т.п. Данный фактор проявляется в условиях низкого давления окружающей среды и приводит к так называемому загрязнению поверхностей КА. Выделяемые КА газообразные вещества, рассеиваясь в окружающем пространстве, могут сталкиваться друг с другом и частицами газа окружающей среды и вновь попадать на поверхности КА и осаждаться на них. Осаждение наиболее вероятно на холодных поверхностях, особенно на тех, которые имеют криогенные температуры. Влияние загрязнения поверхностей усугубляется одновременным воздействием жесткого электромагнитного и ультрафиолетового воздействия. Под воздействием этого излучения, а также под воздействием заряженных частиц солнечного происхождения в осевших продуктах происходят химические реакции, которые препятствуют испарению осевших частиц и приводят к изменению радиационно-оптических свойств поверхностей КА.

Лекции N 3 и 4

Тема лекций : Системы обеспечения тепловых режимов. Краткая характеристика входящих в системы средств обеспечения тепловых режимов.

Общие сведения о системах обеспечения тепловых режимов

Система обеспечения теплового режима космического аппарата (СОТР) - комплекс средств в составе КА для обеспечения его теплового режима в процессе автономного полета . В состав СОТР в общем случае входят как средства активного регулирования теплообмена и переноса теплоты , объединяемая общим названием “ система терморегулирования”, так и средства пассивного терморегулирования - конструктивные элементы, организующие теплообмен излучением и теплопроводностью (покрытия или обработка, обеспечивающие определенные оптические характеристики поверхностей, тепловая изоляция и теплозащита и т.д.)[7].

Поддержание заданного теплового режима осуществляется организацией как внешнего теплообмена КА с окружающим пространством, так и внутреннего теплообмена и распределение теплоты между элементами КА. Однако тепловое состояние КА определяется не только специально организованными тепловыми связями, но в существенной степени и теплофизическими свойствами всех конструктивных элементов, образующих КА. Поэтому понятие “система” применительно к СОТР носит несколько условный характер, так как результаты работы системы , ее состав и параметры неразрывно связаны со свойствами конструкции, тепловое состояние которой она организует. Другими словами говоря, в организации теплового состояния КА участвует не только СОТР , но все его элементы: внешнее оборудование, корпус, рамы, агрегаты, приборы и т.п. В этих условиях , с учетом многообразия и разнородности требований к тепловому режиму различных частей КА создание СОТР невозможно без выполнения основного принципа - формирование стабилизированного теплового состояния ограниченного числа элементов аппарата, что позволяет путем организации тепловых связей с такими элементами стабилизировать в заданных пределах температуры остальных приборов и агрегатов. Например, применяя специальные средства для регулирования температуры корпуса или газовой среды и создавая условия для интенсивного теплообмена приборов с корпусом или газовой средой, можно добиться сохранения температур этих приборов в строго определенных пределах. Причем диапазон температур будет целиком определяться с одной стороны температурой терморегулируемого элемента, а с другой - интенсивностью теплообмена прибора с этим элементом. Диапазон регулирования температуры таких элементов выбирается с учетом всей совокупности температурных требований к оборудованию, которое предполагается обеспечивать путем теплового сопряжения с ними. Правильный выбор базовых, опорных температур и сокращение количества служебных элементов упрощают систему обеспечения теплового режима, повышают ее надежность и делают более простой организацию процессов терморегулирования. В больших и сложных КА эффективным средством подобной организации теплового режима является промежуточный газовый или жидкий теплоноситель, который конструктивно связывается с зонами теплового обеспечения посредством различного рода теплообменных устройств.

Для стабилизации температур в КА и сведения к минимуму возможных ее колебаний, а также с целью сведения к минимуму нерегулируемого теплообмена с окружающим пространством при создании СОТР в практике конструирования КА широко применяется специальная высокоэффективная теплоизоляция – экранно-вакуумная теплоизоляция (ЭВТИ).

В практической работе по созданию СОТР КА могут быть выделены два взаимосвязанных направления : разработка системы терморегулирования (СТР) и разработка средств пассивного терморегулирования.

Под СТР понимают комплекс средств, обеспечивающих регулирование теплообмена и передачу тепла с помощью теплообменных устройств и специальных агрегатов.

По своей структуре, составу агрегатов и выполняемым функциям система терморегулирования является наиболее важной и сложной частью системы обеспечения теплового режима на борту КА. Обычно в состав СТР входят чувствительные элементы, контролирующие температуру в определенных точках КА, электронные блоки системы автоматического регулирования ,вырабатывающие управляющие сигналы, исполнительные органы, непосредственно воздействующие на тепловые процессы, теплообменные агрегаты, обеспечивающие рассеивание в окружающее пространство избыточные внутренние тепловыделения или , наоборот, обеспечивающие подвод недостающей тепловой энергии от специальных источников. В большинстве случаев в качестве агрегатов, осуществляющих сброс в космическое пространство избыточной внутренней энергии , используются радиационные теплообменники. В простейших СТР перенос теплоты из внутреннего объема КА к радиационному теплообменнику осуществляется принудительной циркуляцией газа атмосферы КА . Во многих СТР для переноса теплоты на небольшие расстояния тепловые трубы, а в более сложных системах - жидкостный контур. Помимо радиационных теплообменников для удаления теплоты из КА могут также применяться внутренние теплообменники , в которых используется эффект испарения (так называемые испарительные теплообменники) или сублимации рабочих тел .Обычно испарительные теплообменники используются для снятия пиковых непродолжительных тепловых нагрузок или в тех случаях, когда внешние условия таковы, что сбросить теплоту, выделяемую аппаратурой, через наружные поверхности не удается, а теплоемкость КА мала, чтобы поглощать ее в течении необходимого времени .

Для компенсации периодически изменяющейся внутренней или внешней тепловой нагрузки в системе могут применяться тепловые аккумуляторы, использующие скрытую теплоту плавления и затвердевания рабочего тела.

Для регулирования интенсивности теплоотвода в окружающее пространство могу использоваться жалюзи, открывающие или закрывающие радиационный теплообменник , гидравлические или газовые клапаны , изменяющие скорость циркуляции теплоносителя в жидкостном контуре или газа внутри КА и т.д. В состав СТР могут входить нагревательные устройства ( например электрические или изотопные). На не слишком больших удалениях от Солнца для этой цели может использоваться жидкостной контур, радиационный теплообменник которого имеет соответствующие радиационно-оптические свойства.

СТР обычно выполняется многоконтурной с раздельными контурами для жилых и нежилых отсеков ( если КА не автоматический) и с резервированием наиболее важных элементов: магистралей для теплоносителя у теплообменников, насосов, распределителей жидкого или газообразного теплоносителя, регуляторов температуры воздуха и жидкости.

Сложность и многообразие задач, решаемых аппаратурой КА , требует достаточно гибкости СТР. Это значит, что система не только должна обеспечивать выполнения множества температурных требований, предъявляемых к КА , но и должна допускать возможность изменения режимов ее работы при изменении теплового состояния той или иной из обеспечиваемых ее систем. Например, увеличение тепловой нагрузки в каком либо из звеньев должно автоматически приводить к увеличению отбора тепла от этого звена . Но при этом не должно ощутимо изменяться тепловое состояние других звеньев, обеспечиваемых системой. Такое свойство системы тем более важно в случае каких-либо аварийных ситуаций, когда система обеспечения теплового режима призвана обеспечить максимальное сохранение работоспособности КА и выполнение намеченной программы.

Как уже отмечалось в состав СОТР входят и средства пассивного терморегулирования. Эти средства предназначены для придания определенных теплофизических свойств конструкции и оборудованию КА. Они позволяют интенсифицировать процессы кондуктивного и лучистого теплообмена, увеличить тепловую инерцию тех или иных элементов. Применение теплоизоляционных материалов, покрытий и обработки поверхностей с целью получения определенных радиационно-оптических характеристик позволяет, в первую очередь, уменьшить и ограничить пределы изменения нагрузок на СТР, что, естественно, позволяет упростить систему и улучшить ее массовые и энергетические показатели. Средства пассивного терморегулирования являются очень эффективным средством повышения стабильности температурного состояния КА в условиях переменных внешних воздействий, например, на его корпус.

Максимальная эффективность СОТР может быть достигнута только при условии правильного подбора состава и параметров как средств пассивного терморегулирования, так и СТР. При этом безусловно должны быть соблюдены некоторые основные принципы такого подбора, важнейшими из которых считаются следующие :

минимальная масса системы в пределах заданных весовых ограничений;

стабильность теплофизических свойств средств пассивного терморегулирования во всем диапазоне рабочих температур и в течении всего периода эксплуатации;

максимальное уменьшение возможного диапазона внешних тепловых возмущений на аппарат во всех режимах его работы;

организацию такой схемы теплообмена КА и регулирования его температуры, которая может быть исследована аналитически и при необходимости проверена экспериментально в пределах возможностей наземного экспериментального оборудования;

создание в схеме необходимых запасов для ликвидации последствий возможных отказов или аварийных ситуаций;

обеспечение требуемой надежности системы;

обеспечить устойчивость процессов регулирования при всех уровнях ожидаемых внешних и внутренних тепловых возмущениях ;

максимальную автоматизацию процессов терморегулирования;

максимальную простоту системы и ее агрегатов;

минимальная потребность в информации для надежного оперативного контроля состояния системы и теплового режима КА.

Конкретный выбор СОТР определяется многими факторами: требованиями к тепловому режиму, спецификой внешнего теплообмена, особенностями конструкции КА, его ориентацией в пространстве при орбитальном полете, временем активного существования и т.п. , а также требованием минимальной массы средств, обеспечивающих тепловой режим. В частности, СОТР , в состав которых входят преимущественно пассивные средства используются на КА, у которых вследствие малого тепловыделения аппаратуры температуры внутренних элементов оказываются близкими к температуре корпуса, на котором путем подбора покрытий с определенными радиационными характеристиками поддерживаются температуры в заданном диапазоне.

В некоторых случаях тепловой режим элементов КА обеспечивается изоляцией их от окружающего пространства; продолжительность сохранения температуры элемента в заданном диапазоне определяется его теплоемкостью, значением начальной температуры и теплопритоком или утечками тепла через теплоизоляцию. Таким образом обеспечивается ,например, тепловой режим компонентов топлива. На поверхность баков в этом случае наносится теплоизоляция, а начальная температура топлива формируется на стартовой позиции наземными средствами термостатирования. Аналогичным образом может быть обеспечен в течении ограниченного времени тепловой режим КА ,совершившего посадку на поверхность планеты , на которой температура атмосферы такова, что не позволяет путем прямого теплообмена с ней обеспечить реализацию заданного диапазона температур конструкции и приборов.

Оптимальные весовые характеристики СОТР , как, впрочем , и КА могут быть достигнуты только в процессе совместного проектирования КА и СОТР. Наложение средств обеспечения теплового режима на конструкцию, разработанную без учета тепловых взаимодействий между элементами КА, без правильной конструктивной организации теплообмена во внутреннем объеме КА никогда не может дать оптимального решения задачи создания КА , предназначенного для решения тех или иных задач. Только совместность конструктивного и теплового анализа общей схемы КА является необходимой предпосылкой создания наиболее экономичной в отношении массовых и энергетических затрат и наиболее эффективной в отношении функциональных возможностей конструкции КА. Правильный выбор конструкционных материалов с учетом их теплопроводности и теплоемкости, размещение оборудования с учетом уровня их тепловыделений и требований к отводу тепла, рациональное деление КА на отсеки - эти направления проектирования являются основополагающими в решении проблемы обеспечения теплового режима, так как приводят к упрощению СОТР.

В подавляющем большинстве случаев СОТР строится на основе радиационного отвода тепла при котором сброс тепла в окружающее пространство осуществляется излучением ,исходящим с поверхности специального радиатора, выполненного чаще всего в виде оребренных каналов, по которым циркулирует теплоноситель. За счет конвективного теплообмена энергия от теплоносителя передается стенкам каналов, растекается за счет теплопроводности материала по оребрению и рассеивается за счет излучения внешней поверхностью каналов и оребрения. Радиатор в составе СТР можно использовать и в качестве источника дополнительного тепла. Нагрев его поверхности под действием потока солнечного излучения позволяет нагревать теплоноситель или же подогревать непосредственно внутренний объем КА, когда в качестве радиатора используется непосредственно часть корпуса аппарата. Все длительно работающие КА снабжены радиационными теплообменниками. Радиационная поверхность в зависимости от конструктивных возможностей, рабочей температуры и схемы ее использования в составе СОТР может частью корпуса КА или представлять собой самостоятельную конструкцию, размещаемую на поверхности корпуса, а может выполняться в виде выносных панелей, связанных с аппаратом.

Рассмотрим наиболее подробно , но в пределах дозволенного объема данного курса, наиболее важные элементы системы обеспечения теплового режима КА: зкранно-вакуумную теплоизоляцию, тепловые трубы и радиационно-оптические покрытия, склонные к изменению своих характеристик под воздействием факторов космической среды.